Vätgas och/eller syntetisk metan genom Power to Gas studier kring drivmedelsförsörjning i Östersunds kommun Östersunds kommun 2014-07-03
Copyright 2014 Sweco Energuide AB All rights reserved No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without the prior written permission of Sweco Energuide AB. 2014-07-03 2
Disclaimer While Sweco Energuide AB ( Sweco) considers that the information and opinions given in this work are sound, all parties must rely upon their own skill and judgement when making use of it. Sweco does not make any representation or warranty, expressed or implied, as to the accuracy or completeness of the information contained in this report and assumes no responsibility for the accuracy or completeness of such information. Sweco will not assume any liability to anyone for any loss or damage arising out of the provision of this report. 2014-07-03 3
1 Sammanfattning Östersunds kommun är väldigt engagerat i miljö- och klimatfrågor och har gjort en rad olika satsningar de senaste åren. Bland annat finns ett samarbete i regionen Sundsvall-Östersund-Trondheim där Östersund är en av aktörerna. Ett annat exempel är satsningen på Storsjö Strand, en ny stadsdel i Östersund med stort fokus på hållbarhet, som nu håller på att ta form. Dessutom är kommunen är miljöcertifierad enligt ISO 2014 och EMAS registrerad i hela verksamheten. Transportsektorn är också ett av fokusområdena. Ett mål är att vägratransporter ska vara fossilfria till 2030, och enligt Östersunds Agenda 21 finns el, vätgas och biogas bland de mest intressanta alternativen. Behovet av förnybara drivmedel, främst biogas, väntas öka drastiskt de närmaste åren vilket måste tillgodoses antingen genom köp från externa leverantörer alternativt ökad produktion inom Östersund. Utredningen visar att el har potential att spela en stor roll i Östersunds drivmedelsförsörjning. Både vätgas och metan (om det syntetiseras) kan baseras på el vid framställningen. I Jämtlands län, som har ett stort överskott på el, sker nästan all kraftproduktion med förnybara alternativ vilket gör att elbaserade drivmedel i Östersund skulle kunna betraktas som förnybara. Det finns tydliga kopplingar mellan de tre bränsleslagen vätgas, HCNG (vätgasinblandad metan) och syntetisk metan, vilket leder till synergieffekter som kan utnyttjas. Exempelvis att en elektrolysör är huvudkomponenten för att framställa alla dessa tre bränsleslag. Det leder till att drivmedelsproduktionen kan hållas flexibel och anpassas efter rådande efterfrågan. 2014-07-03 4
1. Innehåll 1 Sammanfattning 4 1. Innehåll 5 2 Bakgrund 6 2.1 Green Highway samarbetet 6 2.2 Östersunds Kommun Nuläget 7 2.3 Framtida planer 7 2.3.1 Energiförsörjning stationär sektor 7 2.3.2 Fossilfria transporter i Östersund 7 3 Vätgas som drivmedel i Östersund 9 3.1 Produktion av vätgas 9 3.2 Vätgasbehov och förutsättningar i Östersund 10 3.3 Vätgas som potentiellt drivmedel 10 3.3.1 Definition av case 10 3.3.2 Placering 11 3.3.3 Produktionsanläggning och lagring 12 3.3.4 Grov kostnadsbild 14 4 Biogas i Östersund Konventionell produktion möter morgondagens framställning 15 4.1 Dagens produktion 15 4.2 Biogasanvändningen idag och imorgon 16 4.3 Power to Gas Nyttjande av el för ökad biogasproduktion 17 4.3.1 Placering 18 4.3.2 Teknisk uppställning och placering av Power to Gas i Östersund 19 4.3.3 Grov kostnadbild 20 5 Vätgasinblandad metan i Östersund 21 5.1 Produktion och distribution av HCNG 21 5.2 Fördelar med vätgasinblandad metan och dess användning 22 6 CCR Teknikbeskrivning 23 6.1 CCR kontra CCS 23 6.2 Principer för koldioxidavskiljning 24 7 Östersunds kommuns energisystem med möjlig produktion av syntetisk metan och vätgas 26 8 Slutsats 28 9 Rekommendationer och fortsatta studier 28 9.1 Power to Gas-anläggning Göviken 28 9.2 Koldioxidåtervinning kraftvärmeverk 29 9.3 Introduktion av vätgastankstation och bränslecellsfordon 29 2014-07-03 5
2 Bakgrund 2.1 Green Highway samarbetet Green Highway är ett samarbete mellan Sundsvall, Östersund och Trondheim, kraftbolag och andra aktörer som syftar till att skapa en fossilbränslefri transportkorridor i de tre länen Västernorrland, Jämtland och Tröndelag. Målsättningen med initiativet är bland annat att, på ett hållbart sätt, öka tillgängligheten inom regionen. I ett sådant samarbete kopplas naturligt FoUverksamheter med näringsliv och offentlig sektor. I dagsläget finns det exempelvis ett flertal laddstationer utmed sträckan mellan Sundsvall och Trondheim, i såväl städer som längs vägen. Andra alternativa drivmedel (energibärare) som finns tillgängliga är etanol, biogas och biodiesel. Dessa är placerade i de större tätorterna (se Figur 1), vilket rent principiellt är tillräckligt för att kunna köra hela sträckan, då räckvidden med konventionella drivmedel (dit hör även bioalternativen i detta fall) generellt är relativt långa. I Trondheim finns i dagsläget endast naturgas tillgängligt men det planeras för en biogasproduktionsanläggning. Figur 1 Tank- och laddstationer längs Green Highway Green Highwayprojektet pågår under perioden 1 september 2011 till 31 augusti 2014 och är en fortsättning på ett tidigare samarbete benämnt SÖT Ett samspel mellan Sundsvall, Östersund och Trondheim. Green Highwayprojektet finansieras bland annat med medel ur den regionala utvecklingsfonden inom ramarna för Interreg Sverige-Norge samt ett 30-tal svenska och norska partners samt medaktörer. 2014-07-03 6
2.2 Östersunds Kommun Nuläget Förutom samarbetet med Green Highway är Östersund engagerat i att bidra till ett mer hållbart samhälle genom flera olika åtgärder. Exempelvis kan Storsjö Strand nämnas som är ett annat projekt med hållbarhet som ledord. En ny stadsdel ska byggas upp från grunden längs strandremsan vid Storsjöstrand där energisnåla fastigheter och smarta energilösningar ska tillämpas för att hålla nere stadsdelens miljöpåverkan. Varje år upprättas en miljöredovisning som beskriver kommunens miljöarbete och miljötillståndet i kommunen. Kommunen har även infört miljöledningssystem för att arbeta effektivt med miljöfrågor, innehar miljöcertifiering enligt ISO 14001 och är dessutom EMAS-registrerad. Gällande transporter så har Östersund idag 30 bussar (drivs av Netbuss stadsbussarna), som främst kör i tätortstrafik. Dessa drivs av RME och etanol vilka är förnybara drivmedel. Merparten av bussarna på landsbygden, drivs också med RME. Utöver bussarna har kommunen en fordonsflotta med 100 gasfordon av totalt 300 fordon som körs i kommunen. Till följd av i färdtjänstupphandlingen kör dessutom taxiverksamheten cirka 30 % av sina fordon på gas. Gällande el i vägtrafiken har kommunen i dagsläget ett 30-tal elfordon medan det sammanlagt finns 70 st i kommunen. 2.3 Framtida planer 2.3.1 Energiförsörjning stationär sektor Generellt satsas det stort på förnybara energikällor för uppvärmning av fastigheter. Jämtkraft, det kommunala energibolaget, använder huvudsakligen endast biomassa i sitt kraftvärmeverk för produktion av el och fjärrvärme. Utöver kraftvärme äger Jämtkraft ett antal vattenkraftverk som årligen producerar närmare 1 TWh el vid normalårsdrift. Stora satsningar görs idag inom vindkraft, med mål att producera ungefär lika mycket som vattenkraften, dvs ca 1 TWh, till 2020. Solceller ses också som ett intressant alternativ men nyttjas inte för att producera några större mängder el i dagsläget 1. 2.3.2 Fossilfria transporter i Östersund I linje med regeringens planeringsmål om en fossilfri transportflotta till 2030 har även Östersunds Kommun en liknande målsättning där transporterna ska vara fossilfria till 2030 2. Dessutom ska energiförbrukningen vara 10 % lägre än för 2010. 1 För att skapa incitament för ökad solelsproduktion erbjuder Jämtkraft sina kunder "gör din egen solel" - ett solcellspaket m avbetalningslösning o försäkring tillsammans med Länsförsäkringar 2 Beskrivs i Östersunds biogasstrategi 2014-07-03 7
Inom kommunen har man satt ett än högre mål dvs. att den egna organisationen ska vara fossilbränslefri till år 2020. Östersund har tagit fram en biogasstrategi som syftar till att tillgodose behovet av biogas inom främst transportsektorn. Strategin visar hur arbetet med biogas ska se ut för att stimulera en ökad användning av biogas inom kommunen. Kommunen kan bidra med ett ökat utbud genom att exempelvis ställa krav på biogas som drivmedel i kommande upphandlingar gällande exempelvis kollektivtrafiken och färdtjänsten. Gällande vätgas har Östersunds kommun tagit med det som ett alternativ i sin Agenda21 för år 2040. Man har hittills valt att följa utvecklingen av både fordon och infrastruktur och är medverkande part i vätgasinfrastrukturprojektet HIT (Hydrogen Infrastructure for Transport) som bland annat finansieras av EU. Enligt fordonstillverkarna kommer bränslecellsbilar från bland andra Hyundai och Toyota att lanseras år 2015 i större omfattning. Rimligen kommer då infrastrukturen för vätgas att få en skjuts med fler vätgastankstationer och distributionskedjor. Ett drivmedel som har fått större uppmärksamhet på senare tid är HCNG (även kallat Hytan), som består av vätgasinblandad metan. Vätgas blandas i liten mängd i med metan och förbränns i motorn som i en konventionell biogasbil. Likt ren vätgas är HCNG ett intressant alternativ som Östersund följer utvecklingen av. 2014-07-03 8
3 Vätgas som drivmedel i Östersund I Europa görs satsningar på flera håll som exempelvis Norge, Danmark och Tyskland som har vätgastankstationer och distributionssystem sedan en tid tillbaka. Sverige har nyligen fått sin första 3 tankstation installerad och är placerad i Malmö. I Sverige pågår för närvarande en utredning där ett förslag på implementationsplan tas fram med Vätgas Sverige som beställare och Sweco som konsult. Utredningen är finansierad genom EU:s TEN-T program via Vätgas Sverige samt ett antal privata såväl som offentliga aktörer. Vätgas ses som ett intressant alternativ då bränslecellsfordonen uppfyller flera av de befintliga funktioner som finns i dagens konventionella fordon. Samtidigt kan dessa betraktas som nollemissionsalternativ eftersom vätgas använt i bränsleceller endast avger vattenånga som avgas till skillnad från förbränningsmotorer som avger ett flertal emissioner som exempelvis koldioxid, oförbrända kolväten, partiklar m.m. Då drivlinan till stora delar är identisk med batteribilars drivlina, dvs att elmotorer sköter framdriften, är fordonen även mycket tysta. Sammanslaget ger dessa egenskaper stora vinster i närmiljön jämfört med konventionella fossila fordon. 3.1 Produktion av vätgas Väte är det vanligaste ämnet i universum, trots det finns vätgas alltjämt inte i ren form att tillgå på jorden. Det finns ofta bundet i olika form, främst i så kallade kolväteformationer. Exempel på material eller ämnen som till stor del utgörs av kolväten är bland annat plast, olja, trä och stora delar av maten man äter. Dessa används bland annat som energibärare där det är möjligt att utvinna värme, el och rörelse. Vätgas erhålls främst ur kolväten idag, närmare bestämt naturgas som till största del består av metan. Metanet går igenom en ångreformeringsprocess, där vätet separeras från kolet genom användandet av vattenånga och värme. Då processen använder fossila råvaror (naturgas) kommer således även vätgasen betraktas som fossil. Väte används till största del inom kemiindustrin som råvara, exempelvis för produktion av urea som är huvudkomponenten i gödningsmedel. Idag görs även försök att utvinna vätgas genom förgasning av träråvara vilket skulle kunna vara ett grönt alternativ inom storskalig vätgasproduktion. I dagsläget är dock förgasning fortfarande inte helt mogen som kommersiell teknik. Den lösning som då är mest relevant för att kunna framställa vätgas på ett hållbart sätt är att driva en elektrolysör. Elektrolys är en kommersiell teknik som används på många ställen världen runt för framställning av exempelvis vätgas men även andra 3 Det har tidigare funnits tankstationer i Sverige i olika projekt som senare avvecklats vid projektets slut 2014-07-03 9
ämnen och används främst inom kemiindustrin. I elektrolysprocessen leds el ner i vatten via elektroder som spjälkar vattnet i dess beståndsdelar, väte och syre. De två gaserna bildas då i separata strömmar och uppnår mycket höga renheter. Beroende på teknik arbetar elektrolysören inom flera olika temperatur- och tryckspann. Alkaliska elektrolysörer hör till de kommersiellt mest använda och har normalt en verkningsgrad på kring 60 % (LHV) från el till vätgas. Arbetstemperaturen ligger på kring 80 C och måste kylas kontinuerligt. Det innebär att värme från elektrolysprocessen kan erhållas i temperaturer strax under 80 C. Genom att utnyttja biprodukter som värme och syrgas till försäljning eller i närliggande processer kan helhetsekonomin för en elektrolysör förbättras. 3.2 Vätgasbehov och förutsättningar i Östersund I dagsläget används inte vätgas som drivmedel i regionen men är ett intressant alternativ för framtiden. Inom exempelvis Green Highway-området skulle det kunna tillämpas som komplement till de befintliga drivmedelsslagen. Vid introduktionen av ny teknik i transportsektorn inom en region har kommunerna och regionen stort inflytande och deras handlingar påverkar utfallet av introduktionen markant. Väljer Östersund (lämpligtvis tillsammans med Green Highway-aktörerna) att satsa på vätgas i regionen kan behovssituationen ändras drastiskt. En intressant aspekt är den stora mängden el som framställs i länet i förhållande till hur mycket energi som går åt i länets transporter, drygt 14 TWh el mot 1,5 TWh (inkl flyg) 4 år 2012. Rent teoretiskt skulle det därmed gå att försörja vägtransporterna i länet vid en omställning till vätgas. Rådande situation samt länets storlek gör det intressant med miljöfordon som har jämförbar räckvidd med dagens fossila alternativ, vilket bränslecellsfordon väntas ha. En annan potentiell källa för vätgas är kemiföretaget Akzo Nobels anläggning i Sundsvall, där stora mängder vätgas bildas som biprodukt. Efter rening av denna gas skulle den exempelvis kunna användas för att förse vägtransporter med vätgas, rimligen som en del av försörjningen inom Green Highway. 3.3 Vätgas som potentiellt drivmedel 3.3.1 Definition av case Då vätgas inte används idag och inga beslut är fattade för framtida användning bestäms ett case (exempelfall) från vilket kommande beräkningar utgår ifrån. Beräkningar och antaganden som presenteras i rapporten bör dock betraktas som indikativa och ska inte tolkas som slutliga lösningar för Östersund. Exempelvis kan det i framtiden finnas möjligheter som inte har tagits hänsyn till i denna rapport. Bland annat skulle vätgas från Akzo Nobels anläggning i Sundsvall kunna bli aktuellt 4 Källa: SCB 2014-07-03 10
som drivmedel (efter rening) vilket skulle kunna ge tillgång till drivmedel åt flera tusen fordon. I fall där tankställen placeras på ett flertal platser i regionen kan det även vara intressant att se över en central elektrolysenhet där vätgas framställs för distribution till tankstationerna som alternativ till att ställa en elektrolysör vid en enskild tankstation. Exemplet för denna rapport utgår dock från inköp av en av de större vätgastankstationerna som finns på den svenska marknaden inklusive en egen vätgasproduktion. Detta för att få en indikativ bild över möjligheter vid tillämpning av vätgas i större skala. Kapaciteteten ligger på ca 32 kg/h vilket uppskattningsvis skulle kunna förse en flotta på drygt 2000 vätgasfordon. Dock kan antalet variera kraftigt beroende på hur körmönstret hos fordonen ser ut. 3.3.2 Placering Vid placering av en tankstation med egen produktion av vätgas måste hänsyn tas till möjlig anslutningspunkt till elnätet, avsättningsmöjligheter för överskottsvärme och eventuellt syrgas. Generellt förordas central framställning framför produktion på plats. Bland annat på grund av ökad avsättningsmöjlighet av vätgas, skalfördelar med större produktionsanläggning samt eventuella tids- och administrativa vinster med att bygga en anläggning framför flera. En svaghet som dock uppstår med ett sådant system är försörjningstryggheten. Om produktionen står still på grund av underhåll eller reparationer kommer ett större område drabbas jämfört med om det funnits flera mindre produktionsanläggningar. I denna rapport har fokus legat på Östersunds kommun varför vätgasproduktionen har anpassats till kommunnivå. Genom att utnyttja möjligheten av produktion på plats försvinner behovet av distribution av det fysiska bränslet vilket sparar in på kostnader om den lösningen är möjlig. Gövikens vattenreningsverk är en mycket intressant lokalisering då det finns både anslutningsmöjlighet till elnät samt möjlig avsättning för värme. Dessa förutsättningar finns då det tidigare funnits en 10 MW värmepump på området. Med en befintlig biogasproduktion med anslutande biogasmack skulle ett kombinerat grönt tankstationsområde kunna upprättas vid Göviken där biogas, vätgas och el finns att tillgå för tankning och laddning. En annan intressant placering är vid gasmotorn i Torvalla. Även där finns befintlig elanslutning samt avsättningsmöjligheter för fjärrvärme. Dessutom kan rimligen en del av närområdet reserveras för byggnation för att slippa logistik av vätgasen när den väl framställts. Kraftvärmeverket vid Lugnvik har liknande förutsättningar som Torvalla och kan också vara intressant. Dessa platser ligger i närheten av Östersunds centrala delar vilket gör dessa till lättillgängliga tankstationer för bilister att tanka på. 2014-07-03 11
3.3.3 Produktionsanläggning och lagring Vätgasbehovet dimensioneras efter antagandet som presenterades i 3.3.1 samt följande beskrivning. Som nämnt klarar stationen att leverera 32 kg vätgas/h. Om tiden på dygnet då tankstationen används sätts mellan 06:00 22:00 åtgår 512 kg vätgas/dygn. Behovet på årlig basis blir då totalt ca 187 ton. Beroende på hur processen optimeras kan olika kapacitet för elektrolysören användas för samma tankstation. Exempelvis kan en mindre elektrolysör användas som sedan drivs med fullast dygnet runt. Ett alternativ är att nyttja en med större kapacitet men som växlar mellan fullastdrift och dellastdrift. I detta exempel används det senare alternativet för att kunna nyttja prisskillnader i el mellan olika tider på dygnet. Dessutom finns skalfördelar för elektrolysören vilket gör investeringskostnaden per installerad kw mycket billigare jämfört med små anläggningar. Effekten som skulle krävas för att driva elektrolysören skulle behöva vara i storleksordningen 1800 kw enligt beräkningen nedan. Antaganden och beräkningar Vätgasbehov över året: 187 ton Ca 6,2 GWh Timmar som tankning sker: Kl. 06:00-22:00 Medelbehov under tankningstimmar: Ca 32 kg/h Antagen driftprofil elektrolysör: Ca 15h/dygn med 100 % effekt samt 9 h/dygn med 10 % effekt Verkningsgrad elektrolysör: 60 % Baserat på ovan antaganden beräknas effektbehovet på elektrolysören uppgå till närmare 1100 kw (vätgas ut) vilket innebär en elanslutning på ca 1800 kw vid hänsyn till verkningsgraden. I Figur 2 presenteras dygnsprofilen för elektrolysörens drift samt lagerstatus medan hela systemets uppställning illustreras i Figur 3. 2014-07-03 12
Figur 2 Illustrativ dygnsprofil för elektrolysdrift (blå linje) och lagerstatus på vätgas (röd linje) enligt presenterade antaganden. Elektrolysören är tänkt att köras under dygnets billigare timmar på maxeffekt och på 10 % kapacitet under de dyrare timmarna. Profilen är anpassad för att maximera produktionen av vätgas under dygnets billigare timmar för att erhålla billig vätgas. När elektrolysören körs på 100 % kapacitet är produktionen av vätgas större än förbrukningen vilket gör att lagret fylls på. Omvända förhållanden råder när elektrolysören körs på 10 % kapacitet, därav sjunkande mängd vätgas i lagret (röd linje). Detta resulterar i att det kommer behövas ett vätgaslager på knappt 250 kg vid tankstationen. Det skulle eventuellt vara möjligt att optimera profilen, vilket skulle leda till en mer exakt dimensionering av både lager och elektrolysör. En sådan optimering skulle dock bland annat kräva ingående tankningsdata över långa tidsperioder vilket inte omfattas i denna rapport. 2014-07-03 13
Figur 3 Schematisk illustration över hur elektrolys och vätgastankstation ansluts till Gövikens avloppsreningsverk. Sammanfattningsvis krävs att elektrolysörens kapacitet uppgår till maximalt 1100 kw (360 Nm 3 vätgas/h) samt ett lagerbehov på ca 250 kg. 3.3.4 Grov kostnadsbild Huvudkomponenterna i denna konstellation består av en elektrolysör samt en vätgastankstation. Tankstationen i sig utgörs sedan huvudsakligen av en kompressorer, vätgaslager och dispenser. Efter diskussioner med leverantörer och experter inom området har det visat sig finnas en stor spridning i kostnadsbild av komponenter och otydlig bild gällande vad som ingår i givna prisuppgifter. Men en elektrolysör och tankstation som uppfyller kravet för ovan nämnda antaganden och redovisade beräkningar bedöms uppgå till en kostnad på ca 25 30 MSEK. Driftkostnader är ej medräknade. 2014-07-03 14
4 Biogas i Östersund Konventionell produktion möter morgondagens framställning 4.1 Dagens produktion I Östersund framställs fordonsgas i anslutning till Gövikens avloppsreningsverk (llustrerad i Figur 4). Under rötningsprocessen av avloppsslam bildas biogas som främst består av metan och koldioxid tillsammans med små mängder av andra ämnen. I det stadiet kallas biogasen normalt för rågas som sedan leds till en skrubberanläggning där den uppgraderas till fordonsgas. Uppgradering och lager Rötkammare Figur 4 Gövikens avloppsreningsverk och biogasproduktion 2014-07-03 15
Produktionen av uppgraderad biogas (fordonsgas) har stadigt ökat de senaste åren i Gövikens anläggning. Under maj-juni 2013 byggdes anläggningen om, vilket minskade produktionen drastiskt för perioden vilket syns i Tabell 1. Tack var ombyggnationen nådde 2013 ändå högre produktionsmängder jämfört med tidigare trots en dipp under början av sommaren. Indikativt bör därmed 2014 års produktion vara kring 5000 MWh vilket skulle motsvara en ökning på 70 % jämfört med 2009. Tabell 1 Försäljning av uppgraderad biogas för de senaste 5 åren. Siffrorna angivna i MWh. 2009 2010 2011 2012 2013 Jan 175 287 340 335 397 Feb 170 300 348 342 396 Mar 246 321 321 362 416 Apr 237 313 274 356 368 Maj 241 353 312 396 65 Jun 255 342 284 361 164 Jul 329 323 296 327 402 Aug 249 314 283 331 427 Sep 254 350 320 342 488 Okt 318 289 297 377 454 Nov 289 313 318 353 488 Dec 300 332 313 369 453 Summa (MWh) 3 064 3 839 3 706 4 252 4 519 Kommunen har även möjlighet att utöka sin biogasproduktion genom att utnyttja det avfall som samlas för rötning. Då det är en annan typ av substrat skulle det dock krävas en särskild anläggning. För närvarande planeras hushållsavfallet att användas i den biogasanläggning som planeras i Sundsvall, BiogasMellannorrland. 4.2 Biogasanvändningen idag och imorgon All biogas som uppgraderas i Gövikens anläggning säljs på den lokala tankstationen i anslutning produktionsanläggningen. År 2013 såldes ca 4,5 GWh uppgraderad biogas varav kommunen köpte nästan 1 GWh fördelat på sina 99 biogasfordon. I Östersundsområdet körs totalt närmare 300 biogasfordon. 2014-07-03 16
Från och med 2016 ska 30 bussar enligt biogasstrategin handlas upp för stadstrafiken med krav på biogasdrift till skillnad från idag där ingen buss kör på biogas (men däremot andra förnybara alternativ som nämnts tidigare). Det innebär ett kraftigt ökat behov och rimligen kommer bussflottan bli den enskilt största biogasförbrukaren i regionen. I dagsläget uppskattas tätortsbussarna köra mellan 4000 6000 mil årligen. Normalförbrukningen för dieselbussar ligger nära 5 Nm 3 /mil 5 vilket motsvarar ca 50 kwh/mil. Antaget ett liknande energibehov för fordonsgas, skulle behovet för 30 bussar som rullar 5000 mil/år därmed uppgå till ca 7,5 GWh, vilket ska adderas på den befintliga förbrukningen som ligger på mellan 4,5 5 GWh. Dessutom är det rimligt att anta att andra aktörer är intresserade av att köra på biogas. Biogasbehovet kommer därmed öka drastiskt de närmaste åren och det blir svårt för biogasproduktionen att hinna med att utvecklas takt med att behovet ökar. Troligtvis kommer biogasen behöva kompletteras med gas levererat från annat håll, åtminstone tills den egna produktionen kommit ikapp. Naturgas brukar vara en vanlig ersättare i sådana lägen då dessa gaser är kompatibla och kan användas i samma motorer. 4.3 Power to Gas Nyttjande av el för ökad biogasproduktion Power to Gas är ett koncept som utnyttjar möjligheten att kunna omvandla koldioxid till metan. Reaktionen kallas Sabatierreaktionen och har använts länge inom kemiindustrin, då främst vid framställning av ammoniak. Koldioxid betraktas som en orenhet och kan förstöra katalysatorer nerströms varför det omvandlas (syntetiseras) till metan. Gasen separeras sedan från den resterande gasströmmen. I Sabatierreaktionen krävs förutom koldioxid även vätgas, som är den andra reaktanten 6 vilket syns i följande formel: CO 2 + 4 H 2 CH 4 + 2 H 2 O + värme För att få reaktanterna att vilja reagera med varandra krävs vissa betingelser som exempelvis rätt tryck, temperatur, optimal stökiometri (mängdförhållande mellan reaktanter) samt en katalysator. Katalysatorns uppgift är att underlätta för reaktionen att ske och består normalt av olika metaller. Koldioxiden som används bör vara ren från föroreningar främst på grund av att katalysatorn kan ta skada, vilket skulle leda till sämre omvandlingsprocess. Beroende på koldioxidkälla kan föroreningarnas natur och halter variera. Svavel är 5 http://www.energikontorsydost.se/userfiles/file/publikationer/seminarier/biogas%20081013/b iogas%20i%20ostra%20blekinge.pdf 6 reaktant = ämne som reagerar med ett eller flera andra ämnen i en kemisk reaktion 2014-07-03 17
en vanligt förekommande förorening från ett flertal processer och måste tas bort, om inte för katalysatorn så för motorn om gasen ska användas i förbränningsmotor. Rent principiellt kan gasen komma från vilken källa som helst. En naturlig koldioxidkälla i Östersund är givetvis biogasanläggningen i Göviken som får en sidoström av koldioxid vid sin produktion av fordonsgas. Det är även möjligt att erhålla koldioxid från kraftvärmeverket som förbränner biomassa och till viss del torv. Vätgasen till processen produceras rimligen genom elektrolys av vatten. Vätgasens produktionsvägar och möjligheter presenteras mer i detalj i kapitel 3. Processen presenteras schematiskt i Figur 5, där el lämpligtvis nyttjas från en förnybar källa för att driva en elektrolysör. Vätgasen leds sedan vidare till en reaktor tillsammans med koldioxid där Sabatierreaktionen sker under förhöjda tryck och temperaturer. Slutprodukten är syntetiskt metan (alt syntetisk biogas) som är identiskt med den metan som erhålls vid biogasproduktion. Figur 5 Schematisk bild över Power to Gas-processen I figuren syns även biprodukter som värme och syrgas. Dessa strömmar bör utnyttjas för att höja projektets ekonomi. I Östersunds kommun finns förutsättningar för avsättning av värme, tillgång på koldioxid och eventuellt relativt billig el vilket skulle vara mycket gynnsamt för denna process. 4.3.1 Placering Med förbehållet att det redan finns ett behov av biogas bör en Power to Gasanläggning generellt anpassas efter tillgången på el eller koldioxid. Sedan finns andra faktorer som måste tas hänsyn till som exempelvis möjlighet för avsättning av värme och syrgas samt. Sedan kan även platsspecifika förhållanden vara begränsande, vilket kräver en noggrann undersökning. I Östersund bedöms Göviken som den mest lämpade placeringen för en eventuell Power to Gas- 2014-07-03 18
anläggning. Först och främst finns tillgång på koldioxid i och med den befintliga biogasanläggningen. Dessutom finns elmatning framdragen samt fjärrvärmeanslutning, då en värmepump som tidigare användes för att producera fjärrvärme, finns placerad i närheten av biogasanläggningen. Liksom vätgas är alernativa placeringar för en anläggning Torvalla och Lugnvik även för Power to Gas. 4.3.2 Teknisk uppställning och placering av Power to Gas i Östersund En Power to Gas-anläggning i Östersund skulle lämpligtvis kunna anpassas efter mängden koldioxid som framställs i Göviken. Förutsättningarna bedöms som mycket goda och implementering skulle resultera i en markant ökning av Gövikens metanproduktion. Rågas från anaerob rötning har generellt en koldioxidhalt på ca 40 % medan metanhalten ligger på 60 %. Dessa siffror antas gälla då det inte finns tillgänglig mätdata på rågasens sammansättning. Indata och antaganden presenteras i det följande: Indata och antaganden Produktion av uppgraderad biogas (antaget för 2014): 500 000 Nm 3 Tillgänglig mängd koldioxid: 330 000 Nm 3 (enligt följande beräkning) och antas vara tillgängligt på kontinuerlig basis, dvs drygt 38 Nm 3 /h. Vätgasbehov över året: 1,33 MNm 3 Ca 4 GWh Vätgasbehov per timme: Ca 13,5 kg/h Antagna produktionstimmar/dygn: Ca 17 h 100 % effekt, 7 h 10 % effekt Verkningsgrad elektrolysör: 60 % Då förhållandet mellan vätgas och koldioxid ska vara 4:1 i Sabatierreaktionen krävs därmed 1,33 milj. Nm 3 vätgas för att förse behovet på årsbasis och hålla en kontinuerlig process. Energiinnehållet i vätgasen är ca 4 GWh vilket ger ett elbehov på ca 6,7 GWh årligen. Storleken/effekten på elektrolysören avgörs av antalet drifttimmar som eftersträvas på årlig basis med villkoret att 1,33 milj Nm 3 vätgas ska framställas. Ju fler drifttimmar, desto mindre elektrolysör och mindre lager. Det antas att elektrolysen körs dygnet runt varav 17 h/dygn på maxeffekt och 7 h/dygn på endast 10 % effekt. Att köra på låg last görs främst för att hålla elektrolysören vid rätt arbetstemperatur vilket är gynnsamt för dess livslängd. I Figur 4 illustreras hur stort vätgaslagret behöver vara för att kunna hålla kontinuitet i vätgasmatningen till processen. 2014-07-03 19
Figur 6 Dygnsprofil för elektrolysdrift (blå linje) och lagerstatus på vätgas (röd linje). Elektrolysören är tänkt att köras under dygnets billigare timmar på maxeffekt och på 10 % kapacitet under de dyrare timmarna. Utifrån ovan premisser skulle lagret behöva vara dimensionerat för ca 50 kg vätgas och eleffektbehovet för elektrolysören behöva vara drygt 1 MW (baserat på 60 % verkningsgrad). Profilen i figuren ska ses som indikativ för Göviken och kan rimligen optimeras ytterligare om annat produktionsflöde antas samt om mer ingående indata tas hänsyn till. Resultatet skulle främst göra skillnad i effekt- och lagringsbehov. Mängden metan som skulle produceras med Power to Gas skulle enligt beräkningarna bli 330 000 Nm 3 utöver de 500 000 Nm 3 som beräknas för 2014. Det skulle innebära en ökning på över 65 % jämfört den konventionella produktionen. 4.3.3 Grov kostnadbild De huvudsakliga tekniska komponenterna som kommer behöva ingå i en Power to Gas-anläggning ansluten till Gövikens biogasproduktion är en elektrolysör, vätgaslager, kompressor och reaktor. Rimligen krävs även reningsutrustning för rågasen. För att bedöma reningsmetod kommer analys av rågasen behöva göras (ej analyserad i dagsläget). Likt fallet för vätgas varierar priser kraftigt beroende på leverantör av elektrolysör som står för den huvudsakliga kostnaden bland komponenterna. Bland reaktorer finns flera typer som skulle kunna användas för Power to Gas, i detta fall bedöms en tubreaktor kunna användas, som är en vanlig reaktortyp inom kemiapplikationer. 2014-07-03 20